Diffusion

Bringt man einige Tropfen Tinte in ein Glas mit Wasser, so verteilt sich die Tinte allmählich von selbst im gesamten Wasser. Das geht umso schneller, je wärmer das Wasser ist. Die Tinte verteilt sich, weil die Teilchen von Wasser und Tinte in ständiger Bewegung sind.

Gibt man Zucker in heißen Tee, so schmeckt nach einiger Zeit der gesamte Tee süß. Zuckerteilchen und Wasserteilchen vermischen sich allmählich.
Der Rauch von Zigaretten und der Duft von Parfüm verteilen sich allmählich in einem Raum.

Das selbstständige Durchmischen von Teilchen verschiedener Stoffe wird als Diffusion bezeichnet.

Diffusion kommt zustande, weil sich die Teilchen bewegen und diese Bewegung der Teilchen zu einer allmählichen Durchmischung führt. Diffusion ist damit ein Beleg für die Bewegung von Teilchen und damit auch ein Beleg für das Teilchenmodell.

Besonders ausgeprägt tritt Diffusion bei Gasen und Flüssigkeiten auf. Sie ist aber auch bei festen Körpern möglich. Das wird z. B. zur Herstellung von Halbleitermaterialien genutzt.
Diffusion spielt auch bei der Wasseraufnahme von Pflanzen eine wichtige Rolle. Die dabei auftretende Diffusion durch halbdurchlässige Membranen wird als Osmose bezeichnet.

Die Aufnahme, Leitung und Abgabe von Wasser durch die Samenpflanzen

Die Aufnahme des Wassers durch die Wurzeln
Die Wasseraufnahme der Pflanzen erfolgt durch die Wurzelhaarzellen. Sie beruht auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Physikalische Gesetze wirken auch außerhalb biologischer Objekte und lassen sich durch Modellexperimente veranschaulichen und erklären.

In einem Standzylinder wird Wasser vorsichtig mit Fruchtsirup unterschichtet. Zunächst sind beide Flüssigkeiten deutlich voneinander getrennt. Diese Grenze wird allmählich immer undeutlicher und auch breiter, bis sich beide Flüssigkeiten vollständig miteinander vermischt haben. Die Ursache dieser selbstständigen Vermischung der Stoffe Wasser und Sirup ist die Eigenbewegung der Wasser- und Sirupteilchen. Da Wasser (als ein wichtiges Lösungsmittel) eine verdünnte Lösung und der Fruchtsirup im Vergleich zum Wasser eine konzentrierte Lösung ist, kommt es durch die Eigenbewegung der Teilchen zu einem Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Stoffen Wasser und Sirup.

Diesen Konzentrationsausgleich zwischen Wasser und Sirup kannst du durch Schmecken feststellen. Während Wasser einen neutralen Geschmack hat, schmeckt unverdünnter Fruchtsirup sehr süß. Die Mischung aus beiden hat eine angenehme Süße. Der physikalische Vorgang, auf dem diese Durchmischung beruht, heißt Diffusion.

Die Diffusion ist ein physikalischer Vorgang, bei dem aufgrund der Eigenbewegung der Stoffteilchen ein Konzentrationsausgleich zwischen unterschiedlich konzentrierten gasförmigen oder flüssigen Stoffen erfolgt.

Wie erfolgt nun die Aufnahme des Wassers aus dem Boden?
Auf dem Weg in das Wurzelinnere müssen die Wasserteilchen zunächst von den Wurzelhaaren der Rhizodermis aufgenommen werden.

Die Wurzelhaarzellen sind dünnwandige, schlauchförmige lebende Zellen. Unter der Zellwand finden wir das Zellplasma mit dem Zellkern und großen Vakuolen (Zellsafträumen), in denen Salze und andere Stoffe gelöst sind. Das Zellplasma wird von der Zellwand und zu den Vakuolen jeweils durch dünne Membranen abgegrenzt. Die Membranen besitzen sehr kleine Poren. Während Wasserteilchen die Poren ungehindert durchdringen können, sind sie für die größeren Stoffteilchen (z. B. Salzteilchen) nicht passierbar. Da die Membranen immer nur einen Stoff passieren lassen, nennt man sie semipermeable (halbdurchlässige) Membranen.

Um diese Verhältnisse an einem Modellexperiment zu veranschaulichen, wird das Diffusionsexperiment etwas variiert. Die beiden unterschiedlich konzentrierten Lösungen werden durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt. Als semipermeable Membran verwenden wir z. B. einen Bockwurstdarm. An einem Ende zugebunden, wird er mit einem Steigrohr versehen und mit angefärbter, konzentrierter Kochsalz- oder Zuckerlösung gefüllt. Diese Apparatur wird an einem Stativ in ein Becherglas mit Wasser gehängt.

Das im Becherglas befindliche Wasser stellt das Bodenwasser dar, das von der Wurzel aufgenommen werden soll. Der Bockwurstdarm symbolisiert die Zellmembranen, die das Zellplasma und die Vakuolen einschließen. Die konzentrierte Kochsalz- oder Zuckerlösung würde dem Zellplasma und den in den Vakuolen gelösten Salzen entsprechen. In der Versuchsanordnung lässt sich nach wenigen Minuten ein Ansteigen des Flüssigkeitspegels im Steigrohr entgegen der Schwerkraft beobachten. Angefärbte Kochsalz- oder Zuckerlösung ist dagegen nicht im Becherglas nachweisbar.

Wie lässt sich die Beobachtung erklären?

Der Konzentrationsausgleich zwischen dem Wasser und der Kochsalz- oder Zuckerlösung wird durch die semipermeable Membran in einer Richtung behindert. Die Kochsalzteilchen (konzentrierte Lösung) werden durch die semipermeable Membran zurückgehalten. Die Wasserteilchen (verdünnte Lösung) können die Membran ungehindert passieren und diffundieren in die Kochsalz- oder Zuckerlösung. Durch diese Wasseraufnahme steigt der Flüssigkeitsstand im Steigrohr. Die konzentrierte Kochsalz- oder Zuckerlösung wird durch die Wasseraufnahme verdünnt.

Die Wanderung von Wasserteilchen oder von kleinen gelösten Teilchen einer schwach konzentrierten Lösung durch eine semipermeable Membran in eine stärker konzentrierte Lösung wird als Osmose bezeichnet. Die Osmose ist ein physikalischer Vorgang, bei dem die Diffusion durch eine halbdurchlässige Membran erfolgt.